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1、第一节 机械的基础知识第二节 机械系统及其发展第三节 机构运动简图及其结构设计,第二章 机械创新设计的基础知识,2-1 机械的基础知识,一、机械及其组成,1.机械,是用来传递运动或动力的能完成有用机械功的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。是机器与机构的泛称。,机器：具有确定的机械运动，它可以用来转 换能量，完成有用功或处理信息，以 代替或减轻人的劳动。,机构：具有确定的机械运动，它可以用来传 递和转换运动。,区别：,机器的主要功用是为了利用机械能做功或能量转换，机器是由机构组成的；机构的主要功用在于传递或转变运动的形式，机器中的单个机构不具有转换能量或完成有用功的功能。,机械的特点：,机械
2、首先必须是执行机械运动装置（是人类制造的实体组合）机械必须进行物料或信息的变换与传递，并完成有用的机械功（其组成件之间有确定的相对运动和力的传递）机械中必须要完成能量的转换（进行机械能的转换和机械能的利用）,执行机械运动的装置是机械的主体，该部分是创新设计的重点内容。,2.机械的分类,1）动力机械（原动机）,是一种把其它形式的能量转化为机械能的机械。,有：电动机 将电能转化为机械能 蒸汽机 将热能转化为机械能 太阳能发电机 将自然力转化为机械能,3）信息机,是通过各种复杂的信息来控制机械运动。,2）工作机,是指利用原动机提供的动力实现物料或信息的传递，克服外载荷而作有用机械功的机械。,大部分的
3、机械都是工作机 如：汽车、起重运输机、机床、轧机等,如：打印机、绘图机等,3.机械的组成,1）驱动装置,常称为原动机，是机器的动力来源。,常用的有：电动机、内燃机、液压缸、气缸,2）执行装置,是处于整个传动路线的终端，按照工艺要求完成确定的运动，是直接完成机械功能的部分。,4）控制装置,其作用是控制机械各部分的运动，可以是手柄、按钮式的简单装置或电路、也可以是自动化控制系统。,3）传动装置,是介于驱动装置和执行装置之间，将原动机的运动和动力传递给执行装置，并实现运动速度和运动形式的转换。,二、机械设计的基本要求,1.满足使用要求,所设计的机械要有效的完成人们预期的目的，包括执行装置的可能性和可
4、靠性。,2.满足经济性的要求,机械要力求结构简单，具有良好的结构工艺性能，使用中效率高，消耗低。,3.满足可靠性要求,应能保证在规定的使用寿命期限内，零件不发生断裂、磨损等各种形式的失效。,4.满足其它特殊要求,如常搬动的机器要便于拆、装和运输，高温下要耐热等；不应对人、环境和社会造成消极影响等。,要满足可靠性要求，就要进行强度、刚度和寿命的计算。,主要指机械中的传动装置（机构）和执行装置（机构）。,机械运动系统可以是机构的基本形，也可以是机构基本形的机构组合或组合机构。,是指最基本的、最常用的机构型式,1.机构的基本型式,三、机械运动系统,（1）全转动副四杆机构的基本型式,为曲柄摇杆机构，可
5、演化为：双曲柄机构、双摇杆机构,（2）含有一个移动副四杆机构的基本型式,为曲柄滑块机构，可演化为：转动导杆机构、移动导杆机构、曲柄摇块机构、摆动导杆机构。,对心曲柄滑块机构,偏置曲柄滑块机构,（3）含有两个移动副四杆机构的基本型式,该机构从动件3的位移s与主动件1的转角的正弦成正比,（4）圆柱齿轮传动的基本型式,为外啮合直齿圆柱齿轮传动机构，可演化为斜齿圆柱齿轮机构、人字齿圆柱齿轮传动机构,（5）圆锥齿轮传动的基本型式,为外啮合直齿圆锥齿轮传动机构,（6）蜗杆传动机构基本型式,（7）直动、摆动从动件平面凸轮机构的基本型,直动：是指直动对心尖底从动件平面凸轮机构,可演化为：滚子从动件、平底从动件
6、、偏置从动件,摆动：是指摆动尖底从动件平面凸轮机构,（8）带传动机构的基本型,为平带传动机构，可演化为V带传动，圆带传动机构等,（9）链传动机构的基本型,指套筒滚子链条传动机构,（10）螺旋传动的基本型,指三角形螺旋传动机构,（12）间歇运动机构的基本型,有棘轮机构、槽轮机构,把一些基本机构通过适当的方式连接起来，从而组成成一个机构系统，称之为机构的组合。,2.机构的组合,在机构的组合系统中，各基本机构都保持原来的结构和运动特性，都有自己的独立性。但需要各个机构的运动或动作协调配合，以实现组合的目的。机构的分析和设计方法仍然适合机构组合系统中的各个机构。,铰链四杆机构与曲柄滑块机构串联在一起，
7、前者的输出构件DC杆与后者的输入构件DE连接在一起，二者均保持自己的特性。,例：,3.组合机构,是指若干基本机构通过特殊的组合而形成的一种具有新属性的机构。其中的各基本机构已不能保持各自的独立性，也不能用原基本机构的分析和设计方法进行组合机构的设计。对组合机构的开拓是机构创新设计的重要方法之一。,常见的组合机构有：齿轮连杆组合机构、齿轮凸轮组合机构、凸轮连杆组合机构。,常用于完成复杂运动的机械系统中,齿轮连杆组合机构,五杆机构ABCDE的两个输入运动是通过齿轮1、2 的运动来实现的，适当地选择机构尺寸与齿轮的传动比，可得到预定的连杆曲线。,四、机械的控制系统,控制方法：机械控制、电气控制、液压
8、控制、气动控制及综合控制,现代机械的控制系统集计算机、传感器、接口电路、电器元件、电子元件、光电元件、电磁元件等硬件环境及软件环境为一体，且在向自动化、精密化、高速化、智能化的方向发展，其安全性、可靠性的程度不断提高。,2-2 机械系统及其发展,一、刚性机械系统,不具有可控性，只有简单的开、关、正反转、停止等独立的控制要求。,二、柔性机械系统,具有可控性，可借助传感器或控制电路，通过微机按位置、位移、速度、压力、温度等参数实施智能化控制。,三、机械系统的发展,（a）典型的刚性机械系统,（b）改进的刚性机械系统以电子控制的调 速电机取代了机械变速装置,（d）直接驱动式的柔性机械系统省去了传 动机
9、构，有更高的运动精度，应用日 益广泛。,（c）已演化为柔性机械系统,2-3 机构运动简图及其结构设计,一、构件的结构设计,1.构件的结构设计要考虑的原则：,1）根据受力大小、方向及对机械的具体要求，选择 构件材料，选择材料要合理。2）工艺过程要合理。一般可选型材、铸件、锻件、焊接件进行加工。要有良好的工艺性。3）选择横截面的形状与尺寸，有适当的形状。4）结构化的构件要满足强度、刚度等项要求，符合 安全性与可靠性指标。5）要考虑到与其它构件的可连接性及连接特点。6）构件之间不能发生运动干涉。7）要考虑到经济性，尽量降低成本。8）维修、安装方便。,2.常见构件的结构设计,构件的主要形式有：齿轮类构
10、件、凸轮类构件、杆状类构件、块状类构件 及其它具有复杂形状的构件。,运动形式有：定轴转动（含摆动）、往复移动 平面运动 结构设计要考虑其运动形式,（1）齿轮类构件的结构设计,齿轮构件与支承简图,齿轮不大时可做成圆盘状,大些时可做成凹心腹板状,为减轻重量可在腹板处开孔,六孔凹心腹板状齿轮,外齿轮：,齿轮较小时可做成齿轮轴,更大的齿轮可做成辐条状齿轮,内齿轮：,当内齿轮很大时可做成分体式，然后固接在一起,一般情况下，齿轮与转轴通过键连接成为一体,（2）凸轮类构件的结构设计,凸轮机构是一种高副传动机构，为使从动 件与凸轮在运动中能始终保持接触，通常 采用力锁合与形锁合两种方法。其结构设 计与其从动件
11、的形状、锁合方式、加工方 法以及凸轮的尺寸有关。,凸轮半径较小，采用弹簧 锁合，常作成凸轮轴形状。凸轮的基圆半径较大，采 用盘状凸轮，用键与转轴 连接到一起。,若采用形锁合，可把凸轮作成端面有沟槽的 结构形式，或把从动件作成封闭状结构形式。,因滚子与凸轮的内外廓线存在速度差，使滚子与凸 轮之间产生滑动摩擦，加大了磨损，可将其 作成双滚子结构。,（3）杆件类构件的结构设计,其结构主要根据杆件系统的构造而定。一般可作成圆盘销轴状、曲轴状、杆件状等。,（4）块状类构件的结构设计,大都是作移动的构件，其结构、形状与运动副的结构有关。,3.机械零件组合成构件的方法,若干个零件通过螺纹联接、焊接、粘接、过
12、 盈配合联接后组成一个构件。,组合构件的选用可从制造工艺、安装方法、构件尺寸及构件形状等多方面因素去考虑。,组合构件的设计及安装都必须保证个零件之 间的刚性连接。,组件的设计是机械结构创新设计的途径之一。,二、运动副的结构设计,1.转动副的结构设计,其沿圆周提供封闭的约束，根据相对运动速度和载荷的大小，可使用滚动轴承或滑动轴承。,常见运动副的结构设计：,2.移动副的结构设计,结构比较复杂，可以用高副式的移动副，也可以用低副式的移动副。,其约束条件可采用重力封闭或形封闭。,3.高副的结构设计,一般情况下，不存在结构设计问题，但特殊场合需要。,滚子导轨结构示意图,滚珠丝杠,三、机构系统的结构设计,较容易：由齿轮、凸轮及间歇运动机构 组成的机械系统；,较困难：由连杆机构组成的机械系统，因杆件的形状千变万化。,进行连杆机构的结构设计时，应注意问题：,1.各构件的运动不能发生干涉,可通过改变杆件的安装平面来解决。,2.在机械平衡的基础上，把安装配 重与结构设计一并考虑。,3.机械系统的运动精度,主要原因：尺寸误差、运动副的间隙误差、构件的弹性变形等。,
